雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析

雪崩型光电二极管阵列器件的设计与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析 南京理工大学 硕士学位论文 姓名:张际青 申请学位级别:硕士 专业:物理电子学 指导教师:汪贵华 20070601 摘要 在低光照情况下，固体图像传感器的晶体管存在着噪声，’为了克服这个问题，可以利用雪崩效应产生大量电子一空穴对来提高固体图像传感器的探测率。雪崩光电二极管(,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,，简称,,,)是一种利用雪崩增益获得较高探测效率的光电器件，在弱光场探测、光子计数等相关领域有着相当广泛的应用。瑞士联邦技术学院电子学实验室采用,(,,, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,,,,,,工艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器(,,,，,)。 本文主要研究这种基于,,,,,,技术的,,,图像传感器。简单介绍,,,和,,,,图像传感器的研究现状和发展水平，目前，固体图像传感器的噪声问题是制约其实现微光探测的主要因素;研究了,,,的主要特性和工作模式，对,,,,,结的击穿特性做了分析与研究，分析了,,结雪崩击穿的条件和影响雪崩击穿电压的因素:——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 建立了一般光电二极管和雪崩光电二极管的噪声模型，分析了它们的噪声特性，雪崩增益大大提高了,,,的信噪比和探测率。 本文利用数值计算原理分析半导体器件内部静电势和载流子浓度分布。利用有限差分法在一定的边界条件下求解半导体器件基本方程一泊松方程和载流,连续方程，编写了该算法的;语言程序，在稳态条件下，获得了,,结一维静电势和载流子浓度分布以及二维静电势分布，为三维及更复杂结构的器件模拟奠定了基础。关键词:雪崩光电二极管，图像传感器，微光探测，,,,,，,,,,,,，噪声，数值分析 ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,辨,,,培(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,，,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,;,,,,,,,,,(,,,吐,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,(,,,,,,,;,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,, 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--------------------------------------------------------------------------------------------------- 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。 研究生签名:躯隧矽产,,月以日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:速监,?年加。妇』, ,绪论 现在固体图像传感器已经广泛地应用于电子数码摄像机，,;摄像机，自动监控、智能机器入和电子数码照相机等。以前电子摄像机的图像传感器是采用外光电效应光电摄像管，由于外光电效应摄像管具有体积重量大，耗电多、寿命短，价格高等缺点，已经被固体图像传感器所取代。固体图像传感器是利用半导体材料的内光电效应原理制成的光电转换器件,,(,,。 ,(,研究背景 圆体图像传感器按工艺结构分主要有两类，”，一类是电荷耦合——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 器件(,,,)图像传感器;另一类是互补金属氧化物(,,,,)图像传感器。 ,,,传感器和,,,,传感器都是上世纪,,年代开始研制，但由于,,,传感器灵敏度高、噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物(,,,,)图像传感器由于工艺上的原因，,直没摆脱光照灵敏度低、噪声大和图像分辨率低等缺点而得不到重视和发展。,,,图像传感器由于敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上而使,,,摄像机,照相机体积大、功耗大。,,,,传感器却有集成度高、功耗小和造价低等优点，如果,,,,图像传感器能克服以上缺点而保持原有的优点，就比,,,传感器的应用更有优势。 目前，;,,,图像传感器由于工艺的成熟而发展很快，国外各大公司和科研机构已经开发出多种类型的,,,,图像传感器和以,,,,图像传感器为核心的摄像系统。在国内，许多大学及科研单位都开展了,,,,图像传感器的研制和应用开发工作，并取得了较大的进展。我国小于,(,,,线宽的大规模集成电路工艺还处于实验阶段，因此像素在,,万以上的;,潞图像传感器芯片必须进口。此夕,，,,,,图像传感器的成像质量差，所以开展,,,,图像传感器的研究与设计，消除噪声技术、提高探测极限是研究固体图像传感器的主要课题之一。 ,,,,图像传感器成像质量差，难以实现微光成像，雪崩光电二级管是一种可以利用雪崩增益获得较高探测效率的光电器件，在弱光场测量、光子计数等相关领域有着相当广泛的应用,,,。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 目前为止，国内还未检索到有关雪崩光电二极管阵列图像传感器方面的论文，瑞士联邦技术学院的电子学实验室已经采用,(,,,,标准,,,,,,,,,艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器，用该器件已经成功组装了首台,,,摄像机，拍摄出了清晰的黑白图像,,】。本文的主要任务就是研究这种基于,,;,,,工艺技术的,,,图像传感器。,(,,,,与,,,,固体图像传感器的研究现状和发展趋势 固体图像传感器最有市场前景的应用是移动电视、电话、笔记本电脑等移动终端的移动图像商品群、电视摄像机、数码相机等。大容量的通信线路使得动态图像传送成了可能。这为固体图像传感器的发展提供了强大动力。另外，在安全技术、 顾上论文雪崩型光电二横管阵列器件的设计‘,分析 交通基础设施、玩具、娱乐仪器等方面固体图像传感器也有广泛的应用前景,,’,】。 人类从外界获取信息，视觉占整个五官接收信息的,,,，因此，在信息社会中，固体图像传感器在国民经济和人民生活中所起的作用越柬越大，而且其应用领域不断扩大，将进一步向多功能化、单芯片化、多层感色、全色和智能化方向发展。,(,(,固体图像传感器的研究现状与发展趋势 随着,,世纪,,年代和,,年代光电子技术的飞速发展，使可见光和红外焦平面阵列图像传感器技术发展到了一个新的阶段，目前的,,,和,,,,图像传感器已经从可见光和近红外波段发展到——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 了短波、中波和长波红外焦平面阵列【,’,，。 传统,,,中由于光电二极管是矩形的，其尺寸受到了限制。制造商们尽管不断的增加像素以提高图像质量，同时缩小了像素和光电二极管面积，但是光吸收的低效率已成为提高感光度、信嗓比和动态范围的另一个障碍。同本富士公司为了寻求更好的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，对人类视觉进行了全面研究得出:像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上，最低的功率在,,“对角线上。根据这一理论研究了,,,,,,,,，其像素都按,,。角排列从而形成了一个蜂窝状结构。控制信号通道被取消了，为光电二极管留出了更多的空间，可以更有效的吸收光。,,,,,,,,把无助于影像纪采的空,’日,减少到最低限度，感光效率和信噪比得到了提高，动念范围得以扩大。 ,,,,图像传感器的研究起始于,,世纪,,年代末，由于当时受到工艺技术的限制，直到,,年代才发展起来，至今已研制出三大类,,,,图像传感器，即,,,,无源像素传感器(,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)、,,,,有源像素传感器(,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,)和;,,,数字像素传感器(,,,,,,,,,,)。在此基础上又问世了,,,,视觉传感器、,,,,应力传感器、对数极性,,,,图像传感器、翎,,视网膜传感器等。,,,,图像传感器有多种读出模式，整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读出模式，与,,,读出方式类似。窗口读出模式是一种针对窗口内像素信息进行局部读出的模式，提高了读出效率。跳跃式读出模式就——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 如同,,,,,,,,„样以降低分辨率为代价，提高读出效率，采用每隔一个或多个像素读出的模式。 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,)是一代半导体成像技术，它不仅提高了像 ,素设计技术，也改进了生产工艺。采用,(,,,,,,,工艺生产的这种,,,,图像传 感器，可以在保全性能的前提下增加晶体管的数量和填充系数。除了增加像素设计的选择方案之外，还可以实现更加复杂的功能和更低的功耗，而且该传感器在速度方面也有很大的优势。,,,的核心技术对上述,,,,图像传感器所存在的固体图像噪声、像素之间的串扰以及暗电流等缺陷有所改善，而且它还降低了对支持芯片的依赖程度。 ,,(,,,，)与;,,,图像传感器的特性比较;;,传感器和,,,,传感器都是上世纪,,年代不始研制，但由于;;,传感器灵 硕士论文雪崩型光电,二极管阵列器件的设计与分析 敏度高、噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物(,,,,)图像传感器由于工艺上的原因，一直没摆脱光照灵敏度低、噪声大和图像分辨率低等缺点而得不到重视和发展,,(,,。 ,,,图像传感器中，入射光产生的信号电荷不经过放大，直接利用,,,具有的转移功能运送到输出电路，在输出电路首次放大信号电压输出。,,,,图像传感器的像素将光电转换的信号电荷放大，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 然后各个像素利用,,地址方式进行选择，取出信号电压或电流。,,,图像传感器直接传达信号电荷，因此容易受到漏光噪声的影响，,,,,图像传感器则在像素内放大信号电荷，所以不易在信号传达路径中受到噪声的影响。此外，由于各像素的信号利用选择的方式取出，取出信号顺序易改变，具有较高的扫描自由度。 ,,,图像传感器的像素构造，从功能上来看，是由进行光电转换、存储信号电荷的光电二极管，将信号电荷送至垂直,,,的读出栅极和转移信号电荷的垂直,,,构成。,,,,图像传感器的像素是由光电二极管与接受放大、选择与复位的,,,晶体管等元件构成。 ,,,,和,,,使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性。它们之问的不同之处在于: ,)图像数据扫描方法不同 如果分辨率为,,,万个像素。那么,,,传感器可连续扫描,,,万个电荷，扫描的方法非常简单，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。,,,,传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器，因此，,,,,传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。 ,)光电转换后的信息读取方式不同 ,,,存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，电荷信息转移和读取需要有时钟控制电路整个电路较为复杂，耗电量较大:,,,,图像传感器则以类似,,,,的方式读出——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 信号，电路简单，且只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为,,,电荷耦合器件的十分之一，,,,,图像传感器在节能方面具有很大优势。 ,)信号读取方式不同 ,,,,光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号，信号读取十分简单。,,,电荷耦合器仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转化器、图像信号处理器处理，集成度非常低。 ,)集成度不同时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与,,,集成到一块芯片上， 硕士论文雪崩型光电,二极管陴列器件的设计与分析 这些功能可由,,,个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要，为了获得信号的完整性，在像元间信号需要进行完美的转移。随着阵列尺寸的增加，电荷转移 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 更加严格准确;借助大规模集成制造工艺，,,,,图像传感器能很容易地把上述功能集成到单一芯片上。 ,)图像信息能否局部读取 ,,,图像传感器图像信息不能随机读取，而这种随机读取对很多应用是不可少的;,,,,图像传感器可对局部像素图像编程随机访问。 ,)噪声水平和成像质量不同 ,,,电荷藕合器件制作技术起步早，采用,,结或二氧化硅隔——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 层隔离噪声:;,,,通过采用新工艺和改善相关双采样电路，独有的传感器技术能有效降低固定模式噪声(,,,)，减小暗电流。随着,,,,电路消嗓技术的不断发展，为生产高密度优质的,,,,图像传感器提供了良好的条件。,,,,有源像素传感器(,,,)技术提高了信噪比和影像效率，在成像质量上非常接近,,,的水平。 ,,,基于标准,,,,,,技术的,,,图像传感器 在低光照射情况下，固体图像传感器的晶体管存在着噪声，为了克服这个问题，可以利用雪崩效应产生大量电子一空穴对柬提高固体图像传感器的探测率，即雪崩光电二极管图像传感器。 ,,世纪,,年代，,,,,图像传感器成为,,,图像传感器的有力竞争对手。今天，,,,,图像传感器的性能已经和,,,图像传感器相当，但是由于工业上标准的工艺，其价格较低。另外，在该工艺中，数字和模拟电路位于同一个芯片上，可以减小像素尺寸。然而，在灵敏度方便,,,,图像传感器并未取得重大进展，对于任何图像传感器，噪声极限都是光子流的量子噪声。 在低光照射下，实际图像传感器的灵敏度并不是受入射光的泊松噪声影响，而是受到探测器电子电路和读出装置的影响,,】。降低电子学方面的噪声，可以通过降温，减慢读出速度，减小转换电容等。还可以在探测器中增加光电转换放大器，通过增加光生电荷来降低噪声,,,，这可以通过雪崩倍增效应束增加探测器内部的光生电荷。 硅雪崩光电二极管在商业上也已经应用了,,多年，但是基于,,,,工艺的硅雪崩光电二极管单片集成电路并没有大规模的开发——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 研制。目前，国内还未检,,,有关雪崩光电二极管阵列图像传感器方面的论文;瑞士联邦技术学院电子学实验室的,,,;,,,,,,和,,,,,,,,,,,等人，采用,(,，册标准,,,,,,工艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器,,，,，,,(,,,，,)，每个像素由雪崩光电二极管(,,,)、高压稳定电路和图像读出电子部件组成。与常规,,,,有源像素传感器(,,,,—,,,)比较，集成,,,像素现存的反馈电阻将由反馈电容代替，增益为,和,,时，,,,的噪声 硕,论文雪崩型光电二檄管阵列器件的设计与分析 (‘。,,)分别为,(,,,,。,,,,,和,,(,,,,,,,,,,,,。每个球形结构的,,,的外部直径为,,朋，像素数为,,×,,，芯片尺寸为,(,,,,×,(,,,,，总的像素尺寸为,,,,,,,,,(,,,,。用该器件已经组装成功了首台,,,摄像机，拍摄出了清晰的黑自图像。 ,(,本文的主要工作与内容 本文主要研究了这种基于,,,,,,技术的,,,图像传感器，主要工作如下: ,)研究,,,的主要特性和工作模式，主要对,,,,,结的击穿特性做了分析与研究，分析,,结雪崩击穿的条件和影响雪崩击穿电压的因素。 ,)研究光电器件的噪声特性，建立了一般光电二极管和雪崩光电二极管的噪声模型，分析,,,的噪声特性和探测率，分析在信噪——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 比和探测率方面，雪崩光电二极管较一般光电二极管的优越之处。 ,)利用数值计算原理分析半导体器件内部静电势和载流子浓度分布。本文利用有限差分法在一定的边界条件下求解稳念条件下半导体器件的基本方程一一泊松方程和载流子连续方程;编写了该算法的,语言程序，得到,,结一维静电势和载流子浓度分布以及二维静电势分命。,)总结本文工作以及获得的结果。 ,,,,探测器特性研究 一般光电二极管的灵敏度不够高，大约在每,,,,,,照射下，只输出几微安光电流，雪崩光电二极管(,,,)利用高反向偏压下耗尽层产生载流予的雪崩倍增效应而获得很高的光电流增益，其增益可以达到,,,,,,,，因此，雪崩光电二极管灵敏度很高且响应速度很快。普通的硅光电二极管和,，,光电二极管是没有内部增益的光伏探测器，而具有内部增益的光电二极管适用于探测弱光信号。 ,(,描述,,,的几个特性参数 雪崩光电二极管在发生雪崩倍增的高反向偏压下工作，雪崩倍增造成内部电流增益。雪崩光电二极管的量子效率和响应度类似于非雪崩光电二极管，此外，我们还必须考虑其噪声性质，雪崩增益等其他方面的特性,,,,,,,。 ,(,(,量子效率和响应度 光子能量大于禁带宽度的光照射到雪崩光电二极管上，被半导体吸收，每一个被吸收的光子产生一个电子一空穴对。在耗尽区内光激发产生的载流子被电场分开并被收集，从而在外电路负载中产生电流。——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 用量子效率来表征每个入射光子在半导体内部产生电子一空穴对的数目，定义为: 。玎,型慧铲,丽，,,？ ,:王:塑:趔圪，砂,(,,入射光子数,,?,西,，亿,，„“式中，，，一吸收在入射波长五处的入射光功率,所得到的光生电流。另,种较好的表示方法是响应度，定义为光电流与光功率之比:(,(,) 因此当量子效率给定时，响应度随波长线性增加。 决定量子效率的关键因素之一是吸收系数。吸收系数与波长有强烈的关系，对于给定的半导体，能够产生可观光电流的波段受到限制。 响应速度受三种因素综合作用的限制:载流子的扩散，载流子在耗尽层内的漂移时间和耗尽层的电容。在耗尽层外面产生的载流子必须扩散到结区，造成很长的延迟。为使扩散效应减至最小，,,结应紧靠表面形成。当耗尽区足够宽时，大部分光将被吸收，加足够的反向偏压时，载流子将以饱和速度漂移。然而耗尽区不应该太宽，否则渡越时间效应将限制频率响应。耗尽层也不能太薄，否则过分大的电容;将产生很大的,;时间常数，此处,为负载电阻，因此要折中选取耗尽层厚度。,(，(,暗电流 没有光照时，探测器内部由于热电子发射等原因也会产生自由载流子一电子和空, 硕,论文雪崩型光电二极管阵列器件的,,,计’』分析 穴，它们在电场的作用下也会形成电流，这种无光照时产生的电——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 流称为暗电流。暗电流作为噪声，对光探测是不利的，应尽量减小。 雪崩光电二极管的暗电流可以分为两部分:本体暗电流和表面漏电流。本体暗电流是由雪崩光电二极管,,结中热生载流子引起的:表面漏电流则同表面缺陷，清洁度，偏置电压大小，表面面积等参数有关。雪崩光电二极管中，热生载流子同样受至),,,结处商电场的加速，因而也发生倍增。表面漏电流并没有经过雪崩倍增区，因而表面漏电流与倍增无关，可以采用保护环结构使其分流从而有效地减小表面暗电流。雪崩光电二极管中的暗电流主要来自表面漏电流，因而，在许多特定情况下，信号电流发生倍增，而暗电流的主要部分并没有倍增，有效地提高了信噪比，这也是雪崩光电二极管优于普通光电二极管之处。 ,(,(,雪崩倍增因子 雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益,表示，其定义为 ,;篮 ，,(,，,) 式中，，。一无雪崩倍增时,,结的反向电流; 』(，一有雪崩倍增时的反向电流。 倍增系数与,,结上所加的反向偏压、,,结的材料和结构有关。实验发现，在外加电压,略低于击穿电压以时，也会发生雪崩倍增现象，只是倍增系数稍小。倍增系数,随外加偏压,的变化可以用下面经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 近似表示: ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 一高, 一一,二、”(,(,)式中，,是与,,结的材料和结构有关的常数，对于硅器件，，,,,(,,,。对于锗器件,,,(,,,。由上式可以看出，当外加电压,增加接近,时，,将随之迅速增大，丽当,,,(时，,一一，此时,,结发生击穿。 图,(,倍增系数与，，,(,,，电压艾系曲线 硕,。论文嚼崩型光也,二极管阵列器件的改计。』分析 ,(,(,噪声特性 雪崩光电二极管除了热噪声和散粒噪声以外，还有因雪崩过程引入的附加噪声。由于雪崩过程是大量载流子电离过程的累加，这本身就是一个随机过程，必然带来附加的噪声，由雪崩过程引起的散粒噪声为: ,,,,？,,“,,,,？(，,，,,)肼“,,(,，,) 式中，,为与雪崩光电二极管材料有关的系数。对于锗管，,,,;对于硅管，,,,(,,,(,。上式又可以改写成: ,锄,,？(,,，，,),,,(,),, 式中，(,(,) 州),,,,卅一妻)(掣,),】疗(,(,) 这旱,称为过量噪声因子，通常也称为噪声系数。,是电子与空穴电离率之比，与所用的材料有关„】。对于硅材料,约等于,,，锗材料,约等于,，这罩表明采用硅材料制作的雪崩光电二极管其噪声性能优于锗。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均方值为: ,,,,:,？(,。，,,，),,,(,),,十—,—,,,,,,一 ,(,(,(,),温度特性 当,,,的温度升高时，由热激发产生的载流子数目也将增加，这部分载流子同样将获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得,,结上的场强显著降低，从而使得,,，)的增益降低;反之，当,,,的温度降低时，其增益将增加,,,,。阻挡层为,,,,,,的硅雪崩光电二极管,,,—,的关系曲线如图,(,所示。 、『,(叼 圈,(,雪崩光电二极管,,,,，,的天系曲线 温度对雪崩光电二极管增益的影响主要是改变了,,结阻挡层的宽度，当温度, 颂十论文雪崩型光电,二极管阵列器件的设计与分析 升高时，阻挡层宽度变窄，载流子电离碰撞的次数减少，使得雪崩增益,降低:换 句话说，温度升高则雪崩击穿电压也相应加大。 由图,(,我们可以看出，当电压达到一定值时，电流得到倍增。电压达到击穿电压时，电流急剧上升，倍增因子,是随着温度而变化的，不同的温度下有不同的关系曲线。倍增因子,随温度而变化，随——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 工作电压增加而增加。当,,,的工作电压低于雪崩击穿电压时，,,,的输出噪声很小，当工作电压接近或超过雪崩击穿电压 时，输出噪声将急剧增大。 ,(, ,,,，,,的特性参数 ,,,有两种工作模式?】:一是线性工作模式;二是盖革模式。在线性工作模式下， 加在,,,两端的电压低于雪崩击穿电压，此时引起的雪崩电流与入射光子的流量成萨比。然而，当加在,,,两端的电压高于雪崩击穿电压时，,,,将会产生自身持续的电流，此时，,,,，作于盖革模式。对工作于盖革模式下的雪崩光电二极管，主要的特性参数包括,,,,,,:暗电流计数率，光子探测率，最佳工作温度和时延等。当反向偏置电 压增加时，光子探测率增加，然而却妨碍了暗电流计数率。图,(,示出了在温度 ,,,,。,，感光直径,,,,,,,，雪崩击穿电压为,,,时的,,,暗电流计数率与反向偏压的关系。 耐 ’ ’ ’ , ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 暗计数 (,,,) ,,( , ,口口 一,， 一 口, , ‘ , : ? ，矿 口口 ,口 口，口 ’,’ 口, 口口 咿 ‘ ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 过反俪电压”(,) 豳,(,暗计数率与过反向偏置电压的关系 表,(,给出了不同的反向偏曼电压所对应的暗电流计数率，由下表我们可以看出 当,,,暗电流计数率随着感光直径的增加而增加，币是这个因素把,,,的感光直径限定在了一个很小的范围内,,,,。 , 表,(,不同反向偏压,,,,的暗电计数率 直径删 ,, ,, ,,吃(高于击穿电压,,,),,,,,吃(高于击穿,,压,,,),,,,,,,吃(高于击穿电压,,,),,,,,,,,, ,,—,,,的暗电流计数率随着温度升高而指数衰减，直径,,,,，雪崩击穿电压,,,,,,，过反向偏置电压吃,，,,时，暗计数率与温度的关系如图,(,所示: 略计数 (,,,) , , : ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- : ’口,:】。,,,。～,,口,,—。口,口 一一,,,:, : 一, ? ? 翻,(,暗电流计数翠与温厦的关系 光子探测率由下式可以计算得到: 咒:—(,(—,,—(,,一—,,(—),—,—(,,—),—,(,,((,‘志’一,)钿(,(,) 其中，只，,,,，,，,酬，,，,州分别是待测,,,的光子探测率，计数率，死时问，暗计数，感光面积;,，，,，，三,，厶分别是标准,,,的光子探测率，计数率，死时间，暗计数，感光面积。图,(,是感光直径为,,,(,,的,,—,,,雕,光子探测率曲线，我们看出在,,,,,波段处 存在峰值。 ,，，，,,„, 耄乏蠡数，， , ，, ,， ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ， , ， , , ， (， ， ， ， 波长(,) 图,(,光子探测率与波长的关系 不同的反向偏置电压引起,,,的时延也不相同，由图,(,可 以看出当过反向偏胃电压大于,,时时延现象非常明显，光子灵敏度 受,,,感光直径的影响( (墨，’。 自相关函数(,、 一、,、 ,, 。?,，,—,,“,,？, ,,,。( 辜,,一,。,,,;，, ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ,,,,,,,,,,,， ? 、, ’‘ 气 、、 、、, 、、、 ,,、(。，(‘。(, ,(,,,,,,(,,,,,, 时殛(,)(,) 自相关函 时延(,) (,) 图,(,(,)不同偏压下时延图，(,)不同感光直径下时延图 ,(,,,结的击穿 由,,结的电流一电压特性可知:在加反向偏压时，正向电流随电压指数,升，不始时反向电流随电压增大而略有增长，随后就与反向偏压无关而保持很小的数值，这就是反向饱和电流。然而在实际的反向,,结中，反向电流随着反向电压的增大而略有增长。当反向偏压增大到某一数值时，反向电流骤然变大，这种现象称为,,结的击——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 穿‘”,，如图,(,所示: ，, ,。,～ 图,(,,,结的击穿 在,,结击穿现象中，电流增大的根本原因不是由于载流子迁移率的增加，而是由于数目的增加。目前为止，已经提出了三种击穿机理?,,:热击穿，隧道击穿和雪崩击穿。 ,(,(,热击穿 当加在,,结上的反向电压增大时，反向电流引起的热损耗也增大。如果这些热量不能及时传递出去，将引起结温上升，而结温上升又导致反向电流和热损耗的增加。若没有采取有效措施，就会形成恶性循环，直到,,结烧毁。这种由热不稳定性引起的击穿称为热击穿。用禁带宽度小的半导体材料制成的,,结，其反向电流大，容易发生热击穿，但在散热较好、温度较低时与其他机构相比，热不稳定性变得不太重要了。 ,(,(,隧道击穿 隧道击穿是在强电场作用下，由于隧道效应(,区价带中的电子有一定的几率直接穿透禁带达到,区导带中的)，使大量电子从价带进到导带所引起的一种击穿现象，最初由齐纳用这种现象解释电解质的击穿，故而又称作齐纳击穿。 图,(,是,,结加反向偏压时的能带图，当,,结加反向偏压时，势垒升高，能带发生弯曲，势垒区导带和价带的水平距离,随着——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 反向偏压的增加而变窄。能带的弯曲是空间电荷区存在电场的缘故，这个电场使得电子有一附加的静电势能。价带中,点的电子能量和,点相等，中间有宽度为,的禁带区域，根据量子力学，价带中,点的电子将有一定几率穿透禁带，而进入导带的,点，穿透几率随着,的减少按指数规律增加，这就是隧道效应。外加反向偏压越大，水平距离,越小，电场就越强，能带弯曲越大，穿透几率就越大。， 图,(,隧道击穿示意图 对于高度为,,，厚度为,的一维方形势垒，量子力学穿透几率,为: ,,(,，,鲁卷】。(,(,。) 以及 七,芦乒(,(,，) 式中，,为载流子能量。 穿透几率随,的减少而单调减少，当,,?,，穿透几率变为 巧?—,,—,——(,,,,,一,)一,,,(,,,,) 隧道电流密度为:(,(,,)以:爨州一掣)以,石紊可州一—雨产)(,(,,)坦?”’式中，占为结电场，乜为带隙，,外电压，时为有效质量。 ,(,(,雪崩击穿 在加反向偏压时，流过,,结的反向电流主要由,区扩散到空间电荷区的电子电流和,区扩散到空间电荷区的空穴电流组成。当所加反向偏电压很大时，在空间电荷区的电子和空穴，由于受到强电场的——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 作用而获得很大动能，它们与空间电荷区内品格原子发生碰撞，把价带上的电子碰撞出来，成为导带电子，同时产生一个空穴。产生的电子和空穴在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续与晶格原,碰撞，产生新的电子一空穴对。如此继续下去，载流子就继续增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。当外加反向偏压增加到某一数值后，载流予的倍增如同雪崩现象一样，载流子数迅速增多，使反向电流急剧增加，从而发生,,结击穿，称为雪崩击穿。雪崩击穿机理和雪崩击穿能带分别如图,(,和图,(,,所示。 (，一 ,， ～厶 ,(,(,(,(,,,,,图,(,雪崩击穿机理图,(,,雪崩击穿能带图雪崩击穿机理 雪崩击穿是由碰撞电离的倍增效应引起的，究竟碰撞到什么程度就发生雪崩击穿呢，在分析雪崩击穿之前，先分析两个物理量【,,】一有效电离率和雪崩倍增因子。,)有效电离率 高速运动的电子和空穴与半导体晶格原子碰撞，产生电子一空穴对的现象称为碰撞电离。一个载流子在电场作用下，漂移单位距离时，碰撞电离产生的电子一空穴对的数目用电离率表示，电离率是表示碰撞电离能力的物理量。碰撞电离能力与电场强度,有关，因此，电离率也就与电场强度有关。为了简化雪崩击穿电压的计算，忽略电子与空穴电离率的差别，均采用有效电离率,来近似。,与,的关系,, ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ,?,？, 式中，;(和,为常数。(,(,,) 对于锗,,结，,,,(,,,,,,“,,，即？,,(,,,,,,,，甩,,: 对于硅,,结，,,,(,,,,,’,,,,(层,,(,,,,,,,;,)，即？,,(,,,,,,,,，,,,。对于锗和硅,,结，上式变为: ,,？,,(,(,,) 由于,,结势垒区以内电场强度处处不等，因此,在以内各处不一样，而是与位置有关的函数。由口,;,,可知，有效电离率主要集中在电场强度最大处附近，在,,内对口够积分，可得到一个载流子通过势垒区时，由碰撞电离所产生的电子一空穴对数为如出。 ,)雪崩倍增因子 当,,结的反向偏压接近击穿电压时，反向电流出现倍增现象，为了表示电流倍增的程度，引入一个参数,， ,:一， ，？(,(,,) 式中，厶是没有雪崩倍增时,,结的反向电流，，是发生雪崩倍增后的反向电流。有效电离率,和雪崩倍增因子,均与碰撞电离有关，二者之间的关系为: ,:;:—毒一厶,一,出 ,(,(,(,(,(,,)雪崩击穿的条件 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 由式(,(,,)可知，当,如出啼,时，,,,,)(,;，，,(’(,;，所以得到,,结的击穿条 ,出:?,(,(,,) 颈，，,论文雪崩型光电,二极管阵列器件的设计与分析 可见，雪崩击穿不仅与电场强度有关，还与空间电荷区的宽度有关。 由实验得到倍增因子,随着外加偏压,的变化规律为: 肌高,(,,,,) 一(—,一)“ 式中,为常数，其数值根据半导体材料，即低掺杂浓度一侧的导电类型而定。 本文中我们主要讨论单边突变结的雪崩击穿电压。将,够,？?代入,,结发生雪崩击穿的条件式(,(,,)，得到用电场强度表示的雪崩击穿的条件为: ,,,,,,,(,(,,) 为了计算方便和简化，下面作积分变量替换。对于,,，结，空间电荷区几乎全部扩展在低掺杂,型一侧，则 ,(,):—,,？(,—,,,)。？,,(,。一工) 由式(,(,,)可以得到在边界,,,和,,,,处的边界条件为: ,(,):,,:？,,,，。,,,(,(,,)(,(,,) ,(,,),, ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 式(,(,,)微分并进行变换得:,,,,(,(,,) 斑:一丛扭 、(,(,,)？,， 将式(,(,,)代入式(,(,,)并进行积分变换，再进行积分计算，并考虑到上面的边界条件式(,(,,)和式(,(,,)即可得到在雪崩条件下的电场强度(临界电场强度)为: ,,(等)，，。占(占。(,(,,) 即当,,结的临界电场强度达到,时，尸?，结就会发生雪崩击穿。对于州，结，有,, 以硝,,,静(,,士,)】,坨 所以最大电场强度为:(,(,,) ,,啬小学(,,，,)】,”,,,？,,;,泣,，， 当最大电场强度,达到雪崩击穿临界电场强度占,时，刚结就会发生击穿，这时的外加电压,就是击穿电压,，在外加反向电压比(，。大的多时，式(,(,,)中,。可忽略不计，从而得到击穿电压与临界电场强度,。的关系为: 吣貉碚,丢(学),，印“孵“ 质浓度，则有: 硅:,,,,(,,×,,。,,,“, 锗:,，,,(,,,,,,,,,。“亿,,，式中，,。为掺杂,区的杂质浓度，且对于硅,,结;，,,(,,,,,,,,，,，,,,(,;对于锗,,结;。,,(,,×,,,“，,，,——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- ,,(,。分别把各值代入上式，并用,,表示低掺杂一边的杂(,(,,)(,(,,)这就是单边突变结的雪崩击穿电压表达式。可见，在,,相等的情况下，锗,,节的雪崩击穿电压比硅,,结的低，其原因是锗的禁带宽度,,比硅小，适于各种半导体材料的单边雪崩击穿电压的经验公式为: ,。,,,(告尸,?(长),,, 的杂质浓度关系如图,(,,所示:弦。?，式中，,。为相应半导体材料的禁带宽度。单边突变结雪崩击穿电压与低掺杂，边 ?，。，;,一’ 图,(，，突变结雪崩击穿电压与杂质浓度的关系 ,，,(,(, ’影响雪崩击穿电压的因素 雪崩击穿电压受多方面因素的影响?，,,,，主要有杂质浓度、外延层厚度、扩散结的结深和半导体表面状态等。 ,)杂质浓度对击穿电压的影响 如果衬底杂质浓度,,低或杂质浓度梯度髓，小，则,,结的雪崩击穿电压就高。因为?。低(或口，小)意味着在同样的外加反向偏压下，空间电荷宽度)(,较宽，最大电场强度,。较低，因而达到临界电场,。。所需加的电压就高，如图,(,,所示。因此要得到耐高压的,,结，可采用低掺杂的高阻抗材料做衬底，或通过深扩散以减小？。 厦，) ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 图,(,,不同衬底杂质浓度对,,结电场分布的影响 ,)半导体外延层厚度对雪崩击穿电压的影响为了保证,,结有 较高的击穿电压，实际的,,结有 ———————————————————————————————————————————————